Fibrosi cistica: parliamone insieme. I primi anni e l'età della scuola
Società Italiana per lo Studio della Fibrosi Cistica...Rowe SM et al. NEJM, 2005; 352: 1992-2001...
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Giulio Cabrini
Laboratorio di Patologia Molecolare
Unità di Biologia Molecolare dei Tessuti
Dipartimento di Patologia e Diagnostica
Azienda Ospedaliera Universitaria di Verona
La pipeline della ricerca pre-clinica in Italia
Roma 8 maggio 2015
Sessione plenaria:
Panorama della ricerca sulla fibrosi cistica in Italia
Società Italiana per lo Studio
della Fibrosi Cistica
Dichiarazione per conflitto di interessi Giulio Cabrini- non riceve sponsorizzazioni da industria coinvolta nella fibrosi cistica -è coinvolto in progetti di ricerca pre-clinica sulla fibrosi cistica finanziati dalla Fondazione Italiana per la Ricerca sulla Fibrosi Cistica sulla infiammazione, correttori di CFTR e potenziatori di CFTR
Lista progetti:- FFC #1/2013 Mechanism of action of trimethylangelicin in rescuing F508del CFTR
functional expression - FFC #8/2014 Design and synthesis of improved analogs of TMA for personalized
treatment of cystic fibrosis- FFC #17/2014 TRPA1 channels as novel targets for anti-inflammatory therapies in
CF lung- FFC #19/2014 Mitochondrial Ca2+ dependent inflammosome activation
exacerbates the P.aeruginosa-driven inflammatory response- FFC #24/2014 The role of GBA2 in cystic fibrosis lung inflammation: from
molecular mechanism to therapeuthic strategies- FFC #28/2014 In vitro study of potential pro-fibrotic effect of everolimus in
different hyuman airway cell lines. Searching for new biomarkers to optimize MTOR-inhibitor immunosuppressive treatment of cystic fibrosis patients undergoing lung transplantation
260 Progetti di ricerca
360 Pubblicazioni scientifiche peer-reviewed
450 Presentazioni congressuali
170 Gruppi/Istituti di ricerca
550 Ricercatori coinvolti
250 Contratti o borse assegnate
anni 2002-2014
Fondazione Italiana per la Ricerca sulla Fibrosi Cistica:progetti di ricerca selezionati e finanziati
(cortesia della Fondazione Italiana per la Ricerca sulla Fibrosi Cistica)
modificato da Amaral MD, Kunzelmann K. Molecular targeting of CFTR as a therapeutic approach to cystic fibrosis. Trends Pharmacol Sci. 2007 Jul;28(7):334-41.
difetto del gene CF
difetto della proteina CFTR
difetto del trasporto di cloro
ridotto liquido superficiale
ostruzione bronchiale
infezione batterica
infiammazione
insufficienza respiratoria
Fibrosi cistica nel polmone:dal gene alla insufficienza respiratoria
modificato da Amaral MD, Kunzelmann K. Molecular targeting of CFTR as a therapeutic approach to cystic fibrosis. Trends Pharmacol Sci. 2007 Jul;28(7):334-41.
difetto del gene CF
difetto della proteina CFTR
difetto del trasporto di cloro
ridotto liquido superficiale
ostruzione bronchiale
infezione batterica
infiammazione
insufficienza respiratoria
Principali aree della ricerca pre-clinica
1. Strategie per correggere il trasporto di cloro
2. Terapie anti-microbiche innovative
3. Nuovi bersagli per l’infiammazione polmonare
da Boucher RC. Evidence for airway surface dehydration as the initiating event in CF airway disease. J Intern Med. 2007 Jan;261(1):5-16.
LIQUIDORESPIRATORIOSUPERFICIALE
EPITELIO BRONCHIALE
NORMALE FIBROSI CISTICA
LA DISIDRATAZIONE DEL LIQUIDO RESPIRATORIO SUPERFICIALEE’ L’EVENTO INIZIALE DELLA MALATTIA POLMONARENELLA FIBROSI CISTICA
Aggiornamento consigliato: Bell SC, De Boeck K, Amaral MD. New pharmacological approaches for cystic fibrosis: promises, progress, pitfalls. Pharmacol Ther. 2015;145:19-34
1. Strategie per correggere il trasporto di cloro
Classe III non si attiva la funzione di CFTResempio: G551D“POTENZIATORI” DI CFTRattivano/aumentano il trasporto di cloro
Classe IICFTR non è presente su membrana cellulare esempio: DF508“CORRETTORI” DI CFTRcorreggono il difetto di localizzazione intracellulare
Classe ICodone di stop prematuro CFTR mancante oppure troncataesempio: G542X, R1162XMOLECOLE “READ-THROUGH”mascherano i codoni di stop prematuripermettendo la sintesi della proteina
modificata da Rowe SM et al. NEJM, 2005; 352: 1992-2001
1. Strategie per correggere il trasporto di cloro
Progetti finanziati (2012-2014) n. 18
(cortesia della Fondazione Italiana per la Ricerca sulla Fibrosi Cistica)
- Borgatti M The read-through approach for the treatment of cystic fibrosis caused by premature termination codons - Casavola V Mechanism of action of trimethylangelicin in rescuing F508del CFTR functional expression - Galietta L Task force for CF 2014: drug discovery for correctors and potentiators of F508del-CFTR Development of novel strategies to correct the chloride transport defect in cystic fibrosis - Gambari R Design and synthesis of improved analogs of trimethylangelicin (TMA) for personalized treatment of cystic fibrosis. - Lentini L Identification and validation of novel molecules obtained by integrated computational and experimental approaches for the read-through of PTCs in CF cells. - Loi R An induced pluripotent stem cell (iPS)-based approach for the repopulation and phenotypic correction of cystic fibrosis airway epithelium
(cortesia della Fondazione Italiana per la Ricerca sulla Fibrosi Cistica)
- Lucarelli M Study of the pathogenetic and therapeutic role of the Epithelial Na+ channel (ENaC) in CF and CF-like disease - Luini A A systems biology approach to the correction of Cystic Fibrosis: from building a network of proteostasis regulatory pathways to combinatorial targeting. - Mazzei M ΔF508-CFTR correctors deriving from computational design and from safe natural compounds for a prompt clinical application - Melotti P Testing CFTR in epithelial organoids for drug development and diagnosis of cystic fibrosis. - Messina G Vessel associated progenitor cells as a promising cell-based approach to treat cystic fibrosis disease - Moran O The molecular structure and the folding of the whole Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator (CFTR): correctors sites.
1. Strategie per correggere il trasporto di cloro
Progetti finanziati (2012-2014) n. 18
(cortesia della Fondazione Italiana per la Ricerca sulla Fibrosi Cistica)
- Pagani F An RNA based approach based on ExSpeU1 for correction of CFTR splicing defects: analysis of efficacy in primary bronchial cells. - Pedemonte N Modulation of post-translational modification and quality control system as a novel therapeutic strategy for Cystic Fibrosis - Rusnati M Development of novel methodologies for the identification of CFTR-targeted drugs: a multidisciplinary approach using Real Time Surface Plasmon Resonance interaction assay supported by bioinformatics strategies on HPC infrastructures. - Sorio C Establishment of a semi-automated evaluation of CFTR function in blood cells for clinical applications - Venerando A A kinase-directed approach to rescue functionality of F508del CFTR.
1. Strategie per correggere il trasporto di cloro
Progetti finanziati (2012-2014) n. 18
First HTS
Second HTS
Chemical Library
NMD+/- yeast model carrying PTCsin a dual-fluo reporter system
Human cellular model carrying PTCsin GFP reporter gene
Human cellular model carrying PTCs in CFTR gene
Read-through molecules
Optimal combination to reach maximal levels of CFTR protein and restoring of CFTR channel activity
NMD inhibitors or correctors/potentiators
Progetti FFC #1/2010 e #2/2012
Molecole read-through per le mutazioni da stop prematuro
modificato da Linde e Kerem (2008) Trend Genet 24: 552-563
Coordinatrice: Monica Borgatti – Università FerraraNicola Altamura – CNR BariAlberto Bresciani – IRBM PomeziaGiulio Cabrini - Verona
cortesia di Monica Borgatti
Laboratory of Molecular PathologyUniversity Hospital of Verona, IT
SCREENING DI EFFETTO ANTI-INFIAMMATORIO DI PIANTE MEDICINALICoordinatore: R. Gambari – Ferrara Partner: G. Cabrini – Verona (2005-2009)
Aegle marmelos contiene ilprincipio attivo anti-infiammatorio5-metossi-psoralene(2009)
Laboratory of Molecular PathologyUniversity Hospital of Verona, IT
1
F. Dall’Acqua e A. ChilinDept of Pharmaceutical SciencesUniversity of Padova, IT
L’analogo di sintesi chimica 4,6,4’-trimetilangelicina (TMA) è più potente di 5-metossi-psoralene (2010)
Laboratory of Molecular PathologyUniversity Hospital of Verona, IT
1 2Aegle marmelos contiene ilprincipio attivo anti-infiammatorio5-metossi-psoralene(2009)
Am J Physiol (Cell Physiol) 272: C976-88 (1997)
8-metossi-psoralene è un “potenziatore” della funzione di trasporto ionico di CFTR
anche 4,6,4’-trimetilangelicina (TMA) è un “potenziatore” della funzione di
trasporto di cloro di CFTR (2011)
3
4,6,4’-trimetilangelicina (TMA) è “correttore” di CFTR DF508 in monostrati di cellule epiteliali respiratorie primarie polarizzate
da pazienti affetti da fibrosi cistica (2014)
Cortesia di Valeria Casavola e Collmodificato da Favia M, Mancini MT, Bezzerri V, Guerra L, Laselva O, Abbattiscianni AC, Debellis L, Reshkin SJ, Gambari R, Cabrini G, Casavola V. Trimethylangelicin promotes the functional rescue of mutant F508del CFTR protein in cystic fibrosis airway cells. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol. 2014;307:L48-61.
4
Quesito:sono possibili molecole con doppia azione di “correttori” e “potenziatori” di CFTR DF508 ?
AS Verkman e Coll- Hybrid potentiator-corrector agonist (Bioorg Med Chem Lett. 2010;20:87-91)- Cyanoquinolines (Mol Pharmacol. 2011;80:683-93 e J Med Chem. 2012;55:1242-51)
LJV Galietta e Coll- Aminoarylthiazoles (J Biol Chem. 2011;286:15215-26)
4,6,4’-trimetilangelicina (TMA) una molecola con doppia azione per CFTR DF508 (“correttore” e “potenziatore”)
TMA per la fibrosi cistica: prospettive future
1Progetto FFC #1/2013Coordinatrice: V Casavola Coll: G Cabrini & R Gambari Mechanism of action of trimethylangelicin in rescuing F508del CFTR functional expression
2Progetto FFC # 8/2014 Coordinatore: R Gambari Coll: A Chilin & G Cabrini Design and synthesis of improved analogs of trimethylangelicin (TMA) for personalized treatment of cystic fibrosis
3
da Villella VR, Esposito S, Bruscia EM, Maiuri MC, Raia V, Kroemer G, Maiuri L.Targeting the Intracellular Environment in Cystic Fibrosis: Restoring Autophagyas a Novel Strategy to Circumvent the CFTR Defect. Front Pharmacol. 2013 Jan 21;4:1
Le alterazioni della autofagia in CF come bersaglio di correzione della CFTR DF508 e della eccessiva infiammazione
L. Maiuri e V. RaiaMilano e Napoli
p62
p62
aggresome
sequestration
proteasome
overload
Vps15
Vps34Ambra1
Atg14 Beclin1
PtdIns(3)P
Autophagy
p62
Rab5
Recycling
impaired
Vps15Vps34
Ambra1 Atg14Beclin1
The CF environment
Ubiqui n
HDAC6DF508-CFTR
Nature Cell Biol 2010; Autophagy 2012; Cell Death Diff 2013; Autophagy 2014.
Autophagy
blockedTG2
INFLAMMATION
Restoring autophagy (cysteamine)
Autophagy restored
p62
ER
Golgi
DF508 rescued
F508del rescue
PtdIns(3)P
Rab11 Rab5
Rab7
Recycling
restored
p62
DF508 PM disposal REDUCED
Functional D508 STABILIZED at PM after rescue
Negative loop INTERRUPTED
(loss of CFTR function – defective autophagy – impaired CFTR trafficking)
Targeting CK2 (EGCG)
PM stability
INFLAMMATION
IN DF508/DF508CELLS, IN MOUSE AND IN PATIENTS
Luigi Maiuri
STRATEGY OF CFTR REPAIR
cortesia di Luigi Maiuri
da Stoltz DA, Meyerholz DK, Welsh MJ. Origins of cystic fibrosis lung disease. N Engl J Med. 2015 Jan 22;372(4):351-62.
IL POLMONE DI UN PAZIENTE AFFETTO DA FIBROSI CISTICA HA RIDOTTO TRASPORTO MUCOCILIARE CHE FAVORISCE L’INFEZIONE BATTERICA
2. Terapie anti-microbiche innovative
PSEUDOMONAS AERUGINOSA EVADE LE RISPOSTE IMMUNITARIENEL POLMONE DEL PAZIENTE AFFETTO DA FIBROSI CISTICA
da Cohen TS, Prince A. Cystic fibrosis: a mucosal immunodeficiency syndrome. Nat Med. 2012 Apr 5;18(4):509-19.
2. Terapie anti-microbiche innovative
2. Terapie anti-microbiche innovative
Progetti finanziati (2012-2014) n. 14
(cortesia della Fondazione Italiana per la Ricerca sulla Fibrosi Cistica)
- Bergamini G Metalloproteases released by Pseudomonas aeruginosa clinical strains as virulent factors in CF: clinical correlations and chemical modulators- Bevivino A Investigating the airway microbiome in cystic fibrosis patients with a severe decline in lung function: an opportunity for a personalized microbiomebased therapy - Bragonzi A Cystic fibrosis modifier genes related to P. aeruginosa lung disease. - Briani F Exploring pyrazinamide derivatives as novel P. aeruginosa inhibitors: unexploited antibacterial molecules for a new antibiotics target - Cigana C Pathophysiological relevance of glycosaminoglycans in Pseudomonas aeruginosa chronic lung infections and validation of new therapeutic approaches to modulate inflammation and tissue remodeling - Cocuzza C Drug development of new beta-lactam and linezolid-like compounds active against Staphylococcus aureus isolated from cystic fibrosis patientes: in vitroand in vivo biological evaluation - Garlanda C Infections in cystic fibrosis patients: effect of PTX3 genetic variants on endogenous PTX3 production and function - Leoni L Anti-virulence therapy against Pseudomonas aeruginosa: identification of antibiofilm drugs and development of inhalable Niclosamide and Flucytosine formulations
(cortesia della Fondazione Italiana per la Ricerca sulla Fibrosi Cistica)
- Mangoni ML Development and preclinical testing of a novel antimicrobial peptide to treat Pseudomonas aeruginosa-induced lung infections - Notomista E Inhalable dry powders for chemically-modified human Cationic AntiMicrobial Peptides (CAMPs): moving toward in vivo application - Pacello F Targeting extracellular Protein Disulphide Isomerase to control Burkholderia cenocepacia lung infections - Pini A Preclinical development of the antimicrobial peptide M33 and onset of regulatory procedures for clinical trials- Riccardi G A very promising drug against Burkholderia cenocepacia - Silipo A Naturally occurring antimicrobials to counteract lung infections in cystic fibrosis patients: Cecropin A-Melittin (CA-M) hybrid peptides and polymixins- Scocchi M Development of BMAP18 as a peptide drug in the lung bacterial infections: a study to improve its effectiveness in the CF pulmonary environment. - Tortoli E Transmissibility and clinical significance of Mycobacterium abscessus in patients with cystic fibrosis
2. Terapie anti-microbiche innovative
Progetti finanziati (2012-2014) n. 14
Identificazione e validazione di nuovi antibiotici anti-Pseudomonas aeruginosa: l’esempio di POL7001Alessandra Bragonzi – Ospedale San Raffaele – Milano
& Polyphor, Allschwil, CH
cortesia di Alessandra Bragonzi
Progetto FFC # 10/2011
da Stoltz DA, Meyerholz DK, Welsh MJ. Origins of cystic fibrosis lung disease. N Engl J Med. 2015 Jan 22;372(4):351-62.
IL POLMONE DI UN PAZIENTE AFFETTO DA FIBROSI CISTICA È PRECOCEMENTE AFFETTO DA INFIAMMAZIONE
polmone di un paziente affetto da fibrosi cistica (età 3 mesi)con infiltrato di neutrofili (freccia) che ostruisce il lume bronchiale
3. Nuovi bersagli per l’infiammazione polmonare
I NEUTROFILI RILASCIANO PROTEASI E RADICALI DELL’OSSIGENOAMPLIFICANDO IL DANNO POLMONARE BATTERICO:L’INFIAMMAZIONE NEL POLMONE DEI PAZIENTI E’ RITENUTA “ECCESSIVA”
3. Nuovi bersagli per l’infiammazione polmonare
3. Nuovi bersagli per l’infiammazione polmonare
Progetti finanziati (2012-2014) n. 23
(cortesia della Fondazione Italiana per la Ricerca sulla Fibrosi Cistica)
- Battistoni A Role of high affinity zinc transporters in Pseudomonas aeruginosa ability to colonize the inflamed cystic fibrosis lung - Berlutti F Lactoferrin-loaded niosomes in reducing inflammation and infection of cystic fibrosis airways. - Cabrini G TRPA1 channels as novel molecular targets for anti-inflammatory therapies in CF lung - Corti A GSH inhalation therapies in CF: how useful, how safe? Set-up of a CF murine model for monitoring of inflammation in vivo and assessment of convenient alternatives. - Dechecchi MC Structure-activity relationships (SAR) of neoglycoconjugates derived from deoxynojirimycin as possible therapeutic agents for Cystic Fibrosis lung disease, by modulating the metabolism of sphingolipids CF - De Stefano Lipoic acid as a proteostasis regulator for the control of inflammation in cystic fibrosis
3. Nuovi bersagli per l’infiammazione polmonare
Progetti finanziati (2012-2014) n. 23
(cortesia della Fondazione Italiana per la Ricerca sulla Fibrosi Cistica)
- Evangelista V Phosphodiesterases type-4 (PDE4) inhibitors and β 2-adrenergic agonists to reduce neutrophilic lung inflammation in cystic fibrosis. Preclinical studies and identification of biomarkers of efficacy - Fraziano M Preclinical study of a novel aerosol immunotherapeutic approach based on Janus-faced liposomes to enhance innate antimicrobial immunity - Hirsch E Targeting PI3Kγ scaffold function to activate airway CFTR, limit lung inflammation and promote bronchorelaxation in cystic fibrosis - Lleò MM Development of a CF, IL-8/NF-KB transgenic mouse model for the in vivolong-term monitoring of the inflammatory response induced by bacteria treated or not with azithromycin - Pilette C Impaired secretory IgA and mucosal immunity in cystic fibrosis: contribution to lung pathology and impaired defence against bacterial infection, and role of CFTR-related epithelial changes in the regulation of the receptor-mediated IgA transcytosis.
3. Nuovi bersagli per l’infiammazione polmonare
Progetti finanziati (2012-2014) n. 23
(cortesia della Fondazione Italiana per la Ricerca sulla Fibrosi Cistica)
- Pinton P Mitochondrial Ca2+-dependent inflammasome activation exacerbates the P. aeruginosa-driven inflammatory response - Pizzo E Identification and characterization of LPS-neutralizing human peptides: potential tools to control inflammation in cystic fibrosis lung disease - Raia V The Heme-oxygenase 1 (HO-1) as modulator of Cystic Fibrosis lung disease - Recchiuti A Resolvin D1 for Targeting Chronic Lung Inflammation and Infection in Cystic Fibrosis - Romani L Targeting pathogenic pathways leading to inflammatory Th17 responses in cystic fibrosis: from drug discovery to preclinical validation. - Romano M Mechanisms and clinical implications of endothelial dysfunction in cystic fibrosis. - Signorelli P Sphingolipid targeting in inflammation and fungal infection
3. Nuovi bersagli per l’infiammazione polmonare
Progetti finanziati (2012-2014) n. 23
(cortesia della Fondazione Italiana per la Ricerca sulla Fibrosi Cistica)
- Sonnino S The role of Glucocerebrosidase GBA2 in cystic fibrosis lung inflammation: from molecular mechanism to therapeutic strategies - Romani L Targeting pathogenic pathways leading to inflammatory Th17 responses in cystic fibrosis: a drug discovery approach - Romano M The role of vascular endothelium in cystic fibrosis inflammation - Strazzabosco M Cystic Fibrosis liver disease: the role of CFTR as regulator of epithelial innate immunity
LA CERAMIDE COME BERSAGLIO MOLECOLARE NELLA ECCESSIVA INFIAMMAZIONE POLMONARE
4
3
1accumuli di ceramide implicati nella iper-infiammazione polmonare
2
P.aeruginosa in bronchial cells
+ miglustat
2011
il miglustat riduce ceramide e riduce infiammazione
il bersaglio di miglustat è GBA2. (riducendo l'attività di GBA2 si riducono sia ceramide che iper-infiammazione)
Progetti FFC #16/2010 e #14/2012Coordinatrice: M.C. Dechecchi – VeronaS Sonnino – Milano & F Becq – Poitiers, F
nuovi bersagli e nuovi farmaci per ridurre la ceramide
cortesia di M. Cristina Dechecchi
Progetto FFC # 19/2014P. Pinton – FerraraG. Cabrini - Verona
TRPC TRPC
P. Aeruginosa
CFTR
2+Ca
2+Ca
2+Ca
2+Ca
2+Ca
2+Ca
2+Ca
2+Ca
Orai-1 Orai-1
flagellumflagellum
Type III ssType III ss
NUCLEUS NUCLEUS
ER ER
TM MT
IP R3 IP R3
VDACVDAC
VDACV AD C
MCU MCU
M
c
io
PAPs re ognit
n PP
ro
ni n
AMs ec
git o
IPAFIPAF
IPAFIPAF
NLRP3
NLRP3
NLRP3
NLRP3
NLRP3NLRP3
IL-1b processing IL-1b processing
Inflammatory responseInflammatory response
Pathological phenotypeNormal phenotype
ROS
ROS
cortesia di Alessandro Rimessi e Paolo Pinton
Rimessi A, Bezzerri V, Patergnani S, Marchi S, Cabrini G, Pinton P.Mitochondrial Ca2+-dependent NLRP3 activation exacerbates the Pseudomonas aeruginosa-driven inflammatory response in cystic fibrosis. Nature Communications 2015 Feb 4;6:6201
Normal phenotype Cystic fibrosis phenotype
da Bezzerri V, et al. Mapping the transcriptional machinery of the IL-8 gene in human bronchial epithelial cells. J Immunol. 2011 Dec 1;187(11):6069-81
BERSAGLIO FARMACOLOGICO ANTI-INFIAMMATORIO: I CANALI TRPA1 COME “AMPLIFICATORI” DELL’INFIAMMAZIONE
Progetto FFC #17/2014G Cabrini – VeronaR Nassini – FirenzeR Gambari - Ferrara
in breveLa ricerca pre-clinica sulla fibrosi cistica in Italia•si estende sulle principali aree della ricerca internazionale:
•richiederà nuove risorse e nuovi progetti per trasferire i risultati preclinici in studi clinici e in sviluppi industriali utili alla cura dei pazienti
1. Strategie per correggere il trasporto di cloro
2. Terapie anti-microbiche innovative
3. Nuovi bersagli per l’infiammazione polmonare
ringraziamenti
M BorgattiA BragonziV CasavolaMC DechecchiLJV GaliettaR GambariL MaiuriV RaiaM Romano
per le slide cortesemente fornite
Laboratorio di Patologia Molecolare
Dipartimento di Patologia e Diagnostica
Azienda Ospedaliera Universitaria di Verona
M. Cristina DechecchiAnna Tamanini
Paola PrandiniLisa ProvezzaAlessandra SantangeloSilvia MunariPaolo MarchiSerena Domenichini
23 04 2015
ringraziamenti
per finanziamento sui progetti di ricerca